(57)【要約】【課題】線状電極と筒状電極を有する例えば同軸円筒型のリアクタを用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行えるようにして、プラズマ処理の適用範囲を広げる。【解決手段】プラズマ処理装置１０は、直流入力電圧Ｖｉｎの供給によって高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）を発生するパルス電源１２と、該パルス電源１２に接続され、該パルス電源１２にて発生された高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）によって均一なストリーマ放電領域１４を発生させて、パルスコロナ放電によるＮＯｘ処理を促進させるリアクタ１６とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧パルスを発生するパルス電源と、
前記パルス電源に接続され、該パルス電源にて発生された高電圧パルスによって放電を発生するリアクタとを有し、
前記リアクタは、パルス電源に接続された線状電極と、一定の電位に固定された筒状電極とを有し、該筒状電極の中空部に前記線状電極が挿入されて構成され、
前記パルス電源にて生成される前記高電圧パルスは、立ち上がり時における電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）が１０11（Ｖ／ｓ）以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記パルス電源にて生成される前記高電圧パルスは、パルス半値幅が５０〜１００ｎｓであることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のプラズマ処理装置において、
前記筒状電極は、円筒形状を有し、
前記線状電極は、前記筒状電極の同軸上に配されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、
前記パルス電源から前記リアクタに対する高電圧パルスの印加によって前記リアクタに発生するプラズマ領域は、前記筒状電極の中空部内であって、かつ、線状電極の同軸上に分布していることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、
前記パルス電源は、
直流入力電圧が印加される２つの入力端子間に直列接続されたインダクタ、第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、
前記第１の半導体スイッチのアノード端子に接続された前記インダクタの他端にカソード端子が接続され、前記第１の半導体スイッチのゲート端子にアノード端子が接続されたダイオードとを有し、
前記第２の半導体スイッチのターンオンによる前記第１の半導体スイッチの導通に伴う前記インダクタへの誘導エネルギの蓄積と、
前記第２の半導体スイッチのターンオフによる前記第１の半導体スイッチのターンオフに伴って前記インダクタにおいて前記高電圧パルスを発生させることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項５記載のプラズマ処理装置において、
前記インダクタは、１次巻線と、該１次巻線と磁気的に結合され、かつ、前記１次巻線の巻数よりも多い巻数の２次巻線とを有し、
前記１次巻線に、前記第１の半導体スイッチの実用的最大耐圧電圧以下の電圧を印加し、
前記１次巻線の巻数をＮ１、前記２次巻線の巻数をＮ２としたとき、
前記２次巻線に発生する電圧は、前記１次巻線に印加される電圧のＮ２／Ｎ１以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス電源から発生された高電圧パルスの放電によるプラズマを利用して様々な処理（ガス分解処理、脱臭処理、プラズマ成膜処理、プラズマエッチング処理、レーザ発振処理、ガス発生処理等）を行うことができるプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、高電圧パルスの放電によるプラズマにより、脱臭、殺菌、成膜、有害ガスの分解等を行う技術が適応されるようになってきたが（例えば特許文献１及び非特許文献１参照）、プラズマによる処理を効率よく行うためには、高電圧の極めて幅の狭いパルスを供給することが必要であることがわかってきている（例えば非特許文献２参照）。
【０００３】
このようなプラズマ処理装置の具体例としては、例えば排ガス中のＮＯを浄化するための排ガス浄化装置がある。この装置は、排気ガス浄化触媒とプラズマリアクタとを併用してＮＯを浄化するもので、プラズマリアクタとして、一対の電極のうち、一方の電極を誘電体にて覆い、該一対の電極に交流電流を印加することによってバリア放電を発生させてＮＯを浄化するようにしている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特許第２６４９３４０号公報
【特許文献２】特開平６−１０６０２５号公報
【非特許文献１】応用物理，第６１巻，第１０号，１９９２，ｐ．１０３９〜１０４３，「高電圧パルス放電化学気相成長法によるアモルファスシリコン系薄膜の作製」
【非特許文献２】IEEE TRANSACTION ON PLASMIC SCIENCE,VOL.28,NO.2,APRIL 2000,p.434〜442，「Improvement of NOx Removal Efficiency Using Short-Width Pulsed Power」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような誘電体バリア放電によるプラズマ処理は、ＮＯｘ処理の乾式法として有効であることは知られているが、パルスコロナ放電によるＮＯｘ処理も試みられている。
【０００６】
このパルスコロナ放電によるＮＯｘ処理は、リアクタとして、線状電極を円筒状電極で囲むように構成した同軸円筒型のリアクタを用いることが考えられている。これは、中心の線状電極に正極性のパルスを印加することにより、中心部での電界強度が大きくなり、高エネルギー電子成分が生成されるという利点があるからである。
【０００７】
しかしながら、従来のパルス電源から供給されるパルスは、正弦波に近いパルスである。この場合、パルス波形のうち、プラズマ処理に直接関与する部分は立ち上がり部分のみであり、立ち下がり部分は無駄となる。正弦波に近いパルスは、立ち上がり及び立ち下がり共に緩やかなカーブを描くことから、無駄な期間が多くなり、効率的に不利である。
【０００８】
また、正弦波に近いパルスを印加したとき、局所的に雷状の放電が発生してしまい、誘電体バリア放電によるプラズマ処理よりも効率が悪くなるおそれがある。あるいはストリーマ放電が発生した場合でも、局所的にストリーマが発生していない部分があり、該部分が処理効率を低下させる要因ともなっている。
【０００９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、線状電極と筒状電極を有する例えば同軸円筒型のリアクタを用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るプラズマ処理装置は、高電圧パルスを発生するパルス電源と、前記パルス電源に接続され、該パルス電源にて発生された高電圧パルスによって放電を発生するリアクタとを有し、前記リアクタは、パルス電源に接続された線状電極と、一定の電位に固定された筒状電極とを有し、該筒状電極の中空部に前記線状電極が挿入されて構成され、前記パルス電源にて生成される前記高電圧パルスは、立ち上がり時における電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）が１０11（Ｖ／ｓ）以上であることを特徴とする。
【００１１】
つまり、立ち上がりの急峻な高電圧パルスが線状電極と筒状電極間に印加されることから、筒状電極における中空部の中心部分での電界強度が大きくなり、高エネルギー電子成分が生成されることとなる。しかも、局所的に雷状の放電が発生するということがなく、リアクタに発生するプラズマ領域は、前記筒状電極の中空部内であって、かつ、線状電極の同軸上に分布する。即ち、筒状電極の中空部内において、線状電極から該筒状電極に向けて均一なストリーマ放電領域が発生することになる。
【００１２】
これにより、線状電極と筒状電極を有するリアクタを用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができる。
【００１３】
ここで、プラズマ処理としては、例えばガス分解処理、脱臭処理、プラズマ成膜処理、プラズマエッチング処理、レーザ発振処理、ガス発生処理等を含み、特に、パルスコロナ放電によるＮＯｘ処理において好適となる。その他、Ｂ4Ｃ薄膜の形成、Ｙ−１２３系薄膜の形成、ＺｎＳやＺｎＳ：Ｍｎ薄膜の形成、ＬＳＩ（高集積回路）の配線用ビアホールへの金属埋め込み、例えばＡｌＮ超微粒子の作製、表面改質等にも適用することができる。
【００１４】
そして、前記構成において、前記パルス電源にて生成される前記高電圧パルスは、パルス半値幅が５０〜１００ｎｓであることが好ましい。通常、プラズマ処理に直接関与する部分は立ち上がり部分のみであり、立ち下がり部分は無駄となる。しかし、この発明では、パルス電源から出力される高電圧パルスのパルス波形は、立ち上がり及び立ち下がりが共に急峻なインパルス的なパルス波形となることから、無駄な部分がほとんどなくなり、高電圧パルスによるプラズマ処理の効率化を図ることができる。
【００１５】
また、前記構成において、前記筒状電極は、円筒形状を有し、前記線状電極は、前記筒状電極の同軸上に配されていることが好ましい。これにより、リアクタに発生するプラズマ領域は、円筒形状の筒状電極の中空部内であって、かつ、線状電極の同軸上に分布することになる。従って、同軸円筒型のリアクタを用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができる。
【００１６】
そして、前記パルス電源は、直流入力電圧が印加される２つの入力端子間に直列接続されたインダクタ、第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチと、前記第１の半導体スイッチのアノード端子に接続された前記インダクタの他端にカソード端子が接続され、前記第１の半導体スイッチのゲート端子にアノード端子が接続されたダイオードとを有し、前記第２の半導体スイッチのターンオンによる前記第１の半導体スイッチの導通に伴う前記インダクタへの誘導エネルギの蓄積と、前記第２の半導体スイッチのターンオフによる前記第１の半導体スイッチのターンオフに伴って前記インダクタにおいて前記高電圧パルスを発生させるようにしてもよい。
【００１７】
この場合、まず、前記第２の半導体スイッチをターンオンすることにより、第１の半導体スイッチも導通し、前記インダクタに直流電源の電圧が印加され、該インダクタに誘導エネルギが蓄積される。その後、前記第２の半導体スイッチをターンオフさせると、前記第１の半導体スイッチも急速にターンオフするため、前記インダクタに非常に急峻に立ち上がる極めて幅の狭い高電圧パルスが発生することとなる。
【００１８】
また、前記インダクタは、１次巻線と、該１次巻線と磁気的に結合され、かつ、前記１次巻線の巻数よりも多い巻数の２次巻線とを有するようにしてもよい。この場合、前記１次巻線に、前記第１の半導体スイッチの実用的最大耐圧電圧以下の電圧を印加し、前記１次巻線の巻数をＮ１、前記２次巻線の巻数をＮ２としたとき、前記２次巻線に発生する電圧は、前記１次巻線に印加される電圧のＮ２／Ｎ１以上となる。
【００１９】
つまり、前記パルス電源を用いることで、該パルス電源からは、立ち上がり時における電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）が１０11（Ｖ／ｓ）以上であって、かつ、パルス半値幅が５０〜１００ｎｓの高電圧パルスを出力することができる。これは、パルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができることに寄与させることにつながる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明に係るプラズマ処理装置によれば、線状電極と筒状電極を有するリアクタ（例えば同軸円筒型のリアクタ）を用いたパルスコロナ放電によるプラズマ処理を効率よく行うことができ、プラズマ処理の適用範囲を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係るプラズマ処理装置を例えばパルスコロナ放電によるＮＯｘ処理に適用した実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。
【００２２】
本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０は、図１に示すように、直流入力電圧Ｖｉｎの供給によって高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）を発生するパルス電源１２と、該パルス電源１２に接続され、該パルス電源１２にて発生された高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）によって均一なストリーマ放電領域１４を発生させて、パルスコロナ放電によるＮＯｘ処理を促進させるリアクタ１６とを有する。
【００２３】
リアクタ１６は、パルス電源１２に接続された線状電極１８と、ＧＮＤ（グランド）に接続された筒状電極２０とを有し、該筒状電極２０の中空部２２に線状電極１８が挿入されて構成されている。
【００２４】
線状電極１８は、径が約０．５ｍｍ、長さが約５００ｍｍであり、材質はステンレスである。材質としては、その他、インコネル等の耐蝕性導電材料を使用することができる。筒状電極２０は、円筒形状を有し、内径が約７６ｍｍ、長さが約５００ｍｍであり、材質はステンレスである。材質としては、その他、インコネル等の耐蝕性導電材料を使用することができる。即ち、リアクタ１６は、円筒形状を有する筒状電極２０の中空部２２の中心部分に線状電極１８が該筒状電極２０の同軸上に挿入された、いわゆる同軸円筒型の形状を有する。
【００２５】
そして、パルス電源１２から出力される高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）としては、図２に示すように、パルス半値幅Ｔｐを５０〜１００ｎｓ、立ち上がり時における電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）を１０11（Ｖ／ｓ）以上としている。
【００２６】
ここで、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０でのパルスコロナ放電によるＮＯｘ処理を説明する。
【００２７】
線状電極１８に高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）を印加すると、リアクタ１６が同軸円筒構造を有することから、中心部分での電界強度が非常に大きくなり、高エネルギー電子成分が生成される。本実施の形態では、高電圧パルスＶLの出力電圧（ピーク値）を約４２ｋＶ、電流（ピーク値）を約１３８Ａとした。反応ガスは、Ｎ2：Ｏ2：Ｈ2Ｏ：ＮＯ＝９０％：５％：４％：２００ｐｐｍで、圧力は１×１０5Ｐａである。ガス流量は２．０リットル／分である。
【００２８】
筒状電極２０の中空部２２内での放電現象を観察した結果、線状電極１８から筒状電極２０に向けて均一なストリーマ放電領域１４が発生していることが観測された。
【００２９】
通常、ＮＯｘガスを分解し、無毒なガスに変換するためには、ＮＯｘガス分子に衝突して解離を生じさせることのできる高エネルギー電子が必要である。そのためにはガス分子の解離エネルギーより大きなエネルギーを有する電子を多量に生成することが重要となる。
【００３０】
本実施の形態では、線状電極１８と筒状電極２０間に高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）を印加すると、上述したように、線状電極１８から筒状電極２０に向けて均一なストリーマ放電領域１４が発生することになる。このストリーマー放電は、その放電領域１４における先端部分（外周部分）が非常に高い電界強度を有しており、電子は線状電極１８に向かって進展しながら加速され、高エネルギー電子が生成される。この高エネルギー電子が、ＮＯｘを直接解離して無毒なガスに変換する。この場合、大電力のため大容量のＮＯｘガス処理が可能である。
【００３１】
このように、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１０においては、線状電極１８と筒状電極２０を有するリアクタ１６に、立ち上がり時における電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）が１０11（Ｖ／ｓ）以上の立ち上がりの急峻な高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）を印加するようにしたので、筒状電極２０における中空部２２の中心部分での電界強度が大きくなり、高エネルギー電子成分が生成されることとなる。しかも、局所的に雷状の放電が発生するということがなく、リアクタ１６に発生するプラズマ領域は、筒状電極２０の中空部２２内であって、かつ、線状電極１８の同軸上に分布する。即ち、筒状電極２０の中空部２２内において、線状電極１８から該筒状電極２０に向けて均一なストリーマ放電領域１４が発生することになる。
【００３２】
これにより、線状電極１８と筒状電極２０を有するリアクタ１６を用いたパルスコロナ放電によるＮＯｘ処理を効率よく行うことができ、ＮＯｘ処理の適用範囲を広げることができる。
【００３３】
次に、パルス半値幅Ｔｐが５０〜１００ｎｓで、立ち上がり時における電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）が１０11（Ｖ／ｓ）以上の高電圧パルスを発生させるパルス電源１２の具体的な構成について図３〜図４Ｅを参照しながら説明する。
【００３４】
パルス電源１２は、図３に示すように、高電圧パルス発生回路３０と、駆動信号発生回路３２とを有する。
【００３５】
高電圧パルス発生回路３０は、直流入力電圧Ｖｉｎが印加される２つの入力端子３４及び３６間にコンデンサ３８が並列に接続され、更に、前記２つの入力端子３４及び３６間に、インダクタ４０、第１の半導体スイッチ４２及び第２の半導体スイッチ４４が直列に接続されている。なお、インダクタ４０の両端のうち、第１の半導体スイッチ４２のアノード端子側を一端４６と記し、一方の入力端子（正極）３４側を他端４８と記す。
【００３６】
この高電圧パルス発生回路３０は、また、インダクタ４０の他端４８と、第１の半導体スイッチ４２の制御端子（ゲート）Ｇとの間に制御端子Ｇ側がアノードとなるようにダイオード５０が挿入接続され、更に、高電圧パルスＶLを必要とするリアクタ１６がインダクタ４０と並列に接続されている。
【００３７】
図３の例では、第２の半導体スイッチ４４が他方の入力端子（負極）３６側に設けられているが、一方の入力端子（正極）３４側に設けても同じ効果をもたらすことはいうまでもない。また、リアクタ１６もインダクタ４０と並列ではなく、第１の半導体スイッチ４２と並列に接続してもよい。
【００３８】
第２の半導体スイッチ４４は、この図３の例では、アバランシェ形ダイオード５２が内蔵された電力用金属酸化半導体電界効果トランジスタ（以下、パワーＭＯＳＦＥＴと記す）５４を有する。該パワーＭＯＳＦＥＴ５４のゲート端子には、駆動信号発生回路３２から駆動信号Ｖｃが供給される。
【００３９】
第１の半導体スイッチ４２は、この図３の例では、ターンオフ時の電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）耐量が極めて大きく、かつ、電圧定格の高いＳＩサイリスタを用いている。
【００４０】
また、この図３の例では、駆動信号発生回路３２から出力される駆動信号Ｖｃをパルス列とすることで、高電圧パルス発生回路３０からは、複数の高電圧パルスＶLが前記駆動信号Ｖｃのパルス列に準じて発生する高電圧パルス列Ｐｃが出力されることになる。
【００４１】
この高電圧パルス発生回路３０から出力される高電圧パルス列Ｐｃは、図２に示すように、パルス半値幅Ｔｐが５０〜１００ｎｓで、立ち上がり時における電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）が１０11（Ｖ／ｓ）以上の高電圧パルスＶLが、一定周期で出力されるパルス列である。この高電圧パルス列Ｐｃの繰り返し周波数ｆｃは１Ｈｚ以上である。
【００４２】
そして、前記駆動信号Ｖｃの出力タイミング、即ち、第２の半導体スイッチ４４をオンするタイミングを適宜変更することで、高電圧パルス列Ｐｃの繰り返し周波数ｆｃを変えることができる。なお、駆動信号Ｖｃは、第２の半導体スイッチ４４をオンする際には例えば１５Ｖの電圧信号として出力されることになる。
【００４３】
ここで、パルス電源１２における高電圧パルス発生回路３０がリアクタ１６に対して高電圧パルスＶLを供給する時間経過について、図３の回路図と図４Ａ〜図４Ｅの動作波形図とを参照しながら説明する。
【００４４】
まず、時点ｔ0において、駆動信号発生回路３２からパワーＭＯＳＦＥＴ５４のゲート端子に駆動信号Ｖｃ（図４Ｅ参照）が供給され、パワーＭＯＳＦＥＴ５４がオフからオンになる（図４Ｄ参照）。
【００４５】
このとき、ダイオード５０の逆極性の極めて大きなインピーダンスにより、第１の半導体スイッチ４２は、ゲートＧ及びカソードＫ間に正に印加される電界効果によりターンオンする。第１の半導体スイッチ４２のアノード電流の立ち上がりは、インダクタ４０により抑制されるため、電界効果だけでも、正常なターンオンが行われる。なお、ダイオード５０と並列に抵抗を接続するか、あるいは他の電源から抵抗を介して第１の半導体スイッチ４２のゲートＧに積極的にゲート電流を流してもよいことはいうまでもない。
【００４６】
このようにして、時点ｔ0で第２の半導体スイッチ４４及び第１の半導体スイッチ４２が導通すると、インダクタ４０に、直流入力電圧Ｖｉｎとほぼ同じ電圧が印加され、インダクタ４０のインダクタンスをＬとすると、図４Ａに示すように、インダクタ４０の電流ＩLは勾配Ｖｉｎ／Ｌで時間の経過に伴って直線状に増加する。
【００４７】
前記電流ＩLは、時点ｔ1で電流がＩｐ（＝ＶｉｎＴ0／Ｌ）となり、所望の電磁エネルギ（＝ＬＩｐ2／２）が得られると、駆動信号発生回路３２からの駆動信号Ｖｃの供給を停止し、パワーＭＯＳＦＥＴ５４をターンオフさせる（図４Ｅ参照）。
【００４８】
このとき、前記電流ＩLの通流経路に存在するインダクタ４０以外の図示しない浮遊インダクタンス（主に配線インダクタンス）が大きいと、パワーＭＯＳＦＥＴ５４は瞬時に遮断状態とはならず、若干、電流が流れ続ける時間があり、パワーＭＯＳＦＥＴ５４の出力容量を充電し、ダイオード５２のアバランシェ電圧に達すると、該ダイオード５２がアバランシェ電圧を持ったまま導通し、大きな損失を発生させる。このため、前記浮遊インダクタンスを極力低減させることにより、ダイオード５２がアバランシェまで至らないようにし、ほぼ理想的なターンオフが行われるようにする。
【００４９】
パワーＭＯＳＦＥＴ５４がターンオフすることにより、第１の半導体スイッチ４２のカソードＫからの電流も零、つまり、開放状態となるため、インダクタ４０に流れていた電流ＩLは遮断され、インダクタ４０は残留電磁エネルギによって逆誘起電圧を発生させようとするが、ダイオード５０が作用し、インダクタ４０の電流ＩLは、第１の半導体スイッチ４２のアノードＡ→第１の半導体スイッチ４２のゲートＧ→ダイオード５０のアノード→ダイオード５０のカソードの経路に転流する。
【００５０】
この場合、ダイオード５０が存在する分岐回路の浮遊インダクタンスも極力低くし、転流が短時間で終了するように配慮する必要がある。第１の半導体スイッチ４２は、今まで流れていた電流によって、電荷が蓄積されており、この電荷が零となるまでは（ストレージ期間）、第１の半導体スイッチ４２のアノードＡ−ゲートＧ間は導通状態を維持するため、上記経路の電圧降下は少ない。
【００５１】
従って、インダクタ４０の逆誘起電圧ＶLは十分低い値に抑えられるため、時間の短いストレージ期間（図４ＡのＴ1）内の前記電流ＩLの減少はほとんどないが、該期間Ｔ1は第１の半導体スイッチ４２のゲートＧから引き抜かれる電荷量により決まる。そのため、できるだけ大きな電流（図３の例の場合は、アノード電流以上は流せない）を急峻に流し、見かけ上のターンオフ利得を１以下として期間Ｔ1を短縮し、インダクタ４０の電流ＩLの減少を極力抑える必要がある。
【００５２】
時点ｔ2で第１の半導体スイッチ４２の内部に蓄積されていた電荷の引き抜きを完了し、空乏層がカソードＫ側並びにゲートＧ側からアノードＡ側へ広がり、ターンオフ動作を開始する。空乏層は内蔵電位で決まる量により、接合にかかる電圧が増大し、ターンオフが進行するのに従い拡大し、最終的にアノードＡ近傍に到達する。
【００５３】
従って、空乏層による電気容量は、アクティブな電荷が多数存在する飽和状態（導通状態）から、構造で決まる少量の電気容量まで変化していく。インダクタ４０の電磁エネルギによる電流が引き続きアノードＡ→ゲートＧに流れ、この空乏層の電気容量を充電する。この充電電圧、つまり、第１の半導体スイッチ４２のアノードＡ−ゲートＧ間の電圧ＶAGは、初めは大きい電気容量のため、比較的緩やかに上昇するが、空乏層の広がりと共に急速に上昇していく。
【００５４】
時点ｔ3で電流ＩLが零になると、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、電圧ＶAG及びＶLが最大となり、それぞれＶAP及びＶLPとなる。この時点で、インダクタ４０の電磁エネルギが全て第１の半導体スイッチ４２の空乏層の電気容量に移行したことになる。
【００５５】
また、この現象は、インダクタ４０のインダクタンスと第１の半導体スイッチ４２の電気容量とによる共振動作であるため、ほぼインダクタ４０の電流ＩLは余弦波形、第１の半導体スイッチ４２のアノードＡ−ゲートＧ間の電圧ＶAGは正弦波形となる。
【００５６】
従って、自由に定数を決められるインダクタ４０のインダクタンスの値を選ぶことにより、インダクタ４０並びに該インダクタ４０と並列のリアクタ１６に発生する高電圧パルスＶLのパルス半値幅Ｔｐをコントロールできる。つまり、第１の半導体スイッチ４２の電気容量の等価容量をＣとすると、パルス半値幅Ｔｐは、
【００５７】
【数１】
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となる。
【００５８】
時点ｔ3で最大値ＶAPに充電された第１の半導体スイッチ４２の空乏層の電気容量に蓄えられた電荷は、共振現象の継続により、インダクタ４０及び蓄積電荷により逆方向に導通状態のダイオード５０の経路で放電が始まり、時点ｔ4でダイオード５０が逆回復し、非導通になるまで続く。時点ｔ4でインダクタ４０及び第１の半導体スイッチ４２の空乏層の電気容量にエネルギが残存していれば、このエネルギによる電流は、コンデンサ３８→第２の半導体スイッチ４４のダイオード５２→第１の半導体スイッチ４２のカソードＫ→アノードＡの経路で流れる。
【００５９】
コンデンサ３８に流れる期間Ｔ4は回生動作となり、インダクタ４０及び第１の半導体スイッチ４２の空乏層の電気容量に残存しているエネルギが回生され、運転効率の向上に大きく寄与する。従って、ダイオード５０の逆回復時間を極力短縮し、期間Ｔ3を短くすることが重要となる。
【００６０】
以上の説明ではリアクタ１６を抵抗負荷のような線形性のもので説明したが、放電ギャップのような非線形性なものでは、電圧の上昇中に負荷インピーダンスが急減したりして、その後の波形は図４Ａ〜図４Ｅとは違ったものとなる場合もある。
【００６１】
ところで、図３に示すパルス電源１２では、第１の半導体スイッチ４２のアノードＡ−カソードＫ間の電圧はインダクタ４０の電圧とほぼ同じであるため、この第１の半導体スイッチ４２のアノードＡ−カソードＫ間の電圧の耐量以上の電圧を、インダクタ４０においてパルス出力させることはできない。
【００６２】
そこで、図５に示す変形例に係るパルス電源１２ａは、第１の半導体スイッチ４２のアノードＡ−カソードＫ間電圧の耐量以上の電圧を、インダクタ４０においてパルス出力させたい場合に好適となる。
【００６３】
まず、この変形例に係るパルス電源１２ａは、図５に示すように、図３に示すパルス電源１２とほぼ同様の構成を有するが、インダクタ４０が、１次巻線７０と、該１次巻線７０と磁気的に結合され、かつ、１次巻線７０の巻数よりも多い巻数の２次巻線７２とを有する点で異なる。
【００６４】
この変形例においては、１次巻線７０と２次巻線７２間の磁気結合を密にし、漏れ磁束の発生を抑制するために、磁性体コアに巻きつけることが好ましい。
【００６５】
そして、１次巻線７０の巻数をＮ１、２次巻線７２の巻数をＮ２とすれば、前記変形例に係るパルス電源１２ａの場合においては、ＶAG×（Ｎ２／ Ｎ１）の高電圧パルスＶLをリアクタ１６に出力できる。
【００６６】
このように、各パルス電源１２及び１２ａは、高電圧が印加される半導体スイッチとして１個の第１の半導体スイッチ４２でよく、しかも、該第１の半導体スイッチ４２のゲート駆動には、通常使用される電子回路によるゲート駆動回路を必要としない。
【００６７】
また、各パルス電源１２及び１２ａの高電圧が発生又は供給される部分は、第１の半導体スイッチ４２のアノードＡとインダクタ４０の一端４６のみであるため、各パルス電源１２及び１２ａの他の回路要素は全て低電圧仕様の回路部品でよい。このことから、１２Ｖ程度の直流入力電圧Ｖｉｎからでも動作可能であり、部品の電圧定格も数１０Ｖあれば十分である。
【００６８】
そして、リアクタ１６の線状電極１８に高電圧パルスＶL（又は高電圧パルスＶLを含む高電圧パルス列Ｐｃ）が供給されることによって、筒状電極２０の内壁と線状電極１８との間で放電が発生し、筒状電極２０の中空部２２においてプラズマが発生することになる。
【００６９】
その結果、上述したように、前記プラズマの発生によって、ＮＯｘが直接解離されて無毒なガスに変換されることになる。
【００７０】
上述の例では、プラズマ処理として、パルスコロナ放電によるＮＯｘ処理を適用した例を示したが、その他、例えばガス分解処理、脱臭処理、プラズマ成膜処理、プラズマエッチング処理、レーザ発振処理、ガス発生処理等にも適用させることができ、例えばＢ4Ｃ薄膜の形成、Ｙ−１２３系薄膜の形成、ＺｎＳやＺｎＳ：Ｍｎ薄膜の形成、ＬＳＩ（高集積回路）の配線用ビアホールへの金属埋め込み、例えばＡｌＮ超微粒子の作製、表面改質等にも適用することができる。
【００７１】
なお、本発明に係るプラズマ処理装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本実施の形態に係るプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図２】パルス電源から出力される高電圧パルス列を示す波形図である。
【図３】パルス電源を示す回路図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｅは、図３に示すパルス電源の各部の電圧および電流の動作波形を説明する図である。
【図５】パルス電源の変形例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００７３】
１０、１０ａ…プラズマ処理装置          １２…パルス電源
１４…ストリーマ放電領域                １６…リアクタ
１８…線状電極                          ２０…筒状電極
２２…中空部                            ３０…高電圧パルス発生回路
４０…インダクタ                        ４２…第１の半導体スイッチ
４４…第２の半導体スイッチ              ５０…ダイオード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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